交叉学科
Interdisciplinary
生物质能源转化和可持续电能获取是能源科学、合成生物学与环境工程交叉领域的重要研究方向。但在实际应用中，传统微生物体系在复杂底物利用、电能输出稳定性以及工程放大方面仍面临不少挑战。
近日，新疆大学岳海涛教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表了题为“Design of electroactive consortium synthesizing flora enables synergistic biomass-to-bioenergy conversion”的研究文章。研究报道了一种具有生物质降解能力的电活性合成微生物菌群，实现了生物质降解与产电过程的有效耦合。该研究通过合理设计功能互补的合成菌群，并筛选优化阳极材料，有效提高了微生物燃料电池（MFC）的电子传递效率和系统稳定性。
背景
随着全球能源需求持续增长与环境压力日益加剧，发展可再生、可持续的能源转化技术已成为迫切需求。生物质作为丰富的可再生能源，其高效能源化利用对于缓解化石能源依赖、降低温室气体排放具有重要意义。然而，当前主流的生物质能源技术（如厌氧消化产沼气、发酵制乙醇等）在实际应用中仍面临显著挑战：这些技术通常受限于底物适应性窄、对复杂组分（如木质纤维素、高蛋白高盐废弃物）降解效率低、转化过程易产生二次污染等问题，难以实现能源回收与物质循环的协同优化。
微生物燃料电池（MFC）技术为生物质能源转化提供了前景广阔的替代方案，可通过微生物代谢将有机物中的化学能直接转化为电能，实现清洁、常温常压下的能量回收。对于成分复杂、含水率高且易生物降解的有机废弃物（如农业残余物、食品加工废料、水产养殖副产物等），MFC展现出明显优势。然而，MFC的实际应用仍受限于三大瓶颈：一是功能局限——天然菌株或单一微生物往往难以同时兼顾复杂生物质的高效降解与强电子传递；二是性能制约——现有阳极材料在生物相容性和电化学性能上存在不足，限制了生物膜的形成及电子转移效率；三是工程挑战——系统输出功率低、运行稳定性差，尤其在处理高盐、高有机物负荷的实际废料时，性能下降尤为明显。
多功能合成菌群的构建
研究团队成功构建了一个兼具生物质降解与产电功能的合成微生物菌群，由两株枯草芽孢杆菌（XJU-1、XJU-2）、一株蜡样芽孢杆菌（XJU-3）及一株霍氏肠杆菌（XJU-5）组成。该菌群的设计基于各菌株的代谢互补性：XJU-2具有最高蛋白酶活性，XJU-5表现出较强的角蛋白酶活性，而XJU-1与XJU-3在脂质代谢及电子传递方面具优势。通过这种明确的功能分工，菌群能够协同降解复杂生物质，七种测试生物质原料的降解率达到77%至90%。
电极材料优化
在电极材料优化方面，研究系统评估了碳布、碳纳米管掺杂碳布、多孔镍泡沫网及多孔镍钼泡沫四种阳极材料的性能。结果表明，多孔镍钼泡沫阳极具有最优综合性能。扫描电镜观察显示，其高孔隙率和三维网状结构为微生物附着及生物膜形成提供了理想界面。电化学分析进一步证实，该材料在循环伏安测试中呈现出最明显且对称的氧化还原峰，对应Ni²⁺/Ni³⁺可逆电对，表明其电子转移速率最快、电化学可逆性最强。电化学阻抗谱显示，其电荷转移电阻（Rct）仅为16.14 Ω，显著低于其他材料。在实际MFC运行中，采用该阳极的2升反应器实现了941.67 mV的输出电压和443.67 mW/m³的功率密度。研究还发现，电极表面积存在最优值，其中25 cm²的镍钼泡沫阳极表现最佳。推测钼的掺入不仅提升了电极导电性、增加电化学活性位点密度，还增强了微生物-电极界面的电子传递效率。
代谢调控机制解析
在代谢调控机制方面，本研究通过整合基因组、酶活性及代谢组学分析，系统揭示了合成微生物菌群的协同增效原理。结果显示，菌群通过强化维生素B6代谢及氨基酸合成途径，显著提高了NADH和FADH₂等还原性辅因子的生成效率，从而增强了糖酵解与三羧酸循环的代谢通量。关键呼吸链酶活性检测进一步表明，菌群中的琥珀酸脱氢酶（SDH）与细胞色素c氧化酶（COX）活性较单一菌株分别提升约1.5–2倍，有效加速电子沿呼吸链的传递及质子跨膜转运。代谢物分析显示，黄素类、醌类及嘌呤衍生物在群落中显著富集，这些化合物既可作为内源性氧化还原介质促进微生物—电极之间的电子双向传递，又可通过如3-甲基黄嘌呤等物质缓解氧化应激，维持群落稳定。整体代谢网络的优化实现了从底物降解到能量捕获及电子传递的多级协同，为合成菌群在电化学系统中的高效运行提供了坚实的代谢基础。
系统性能提升
在系统性能提升方面，研究通过串联与放大实验显著增强了MFC的实用性与输出能力。将四个MFC单元串联后，系统输出电压提升至2187.17 mV，功率密度达到598.13 mW/m³，并可驱动2.2–2.4 V的LED灯稳定发光。进一步将反应器规模从2升放大至28升后，系统能在持续30天的运行中保持稳定发电，输出电压提升约3.4倍（从338.00 mV增至1145.10 mV）。尽管放大后功率密度因传质限制和电极表面积体积比下降而有所降低，但实验证明该合成菌群与电极系统具备良好的可扩展性与运行稳定性，为MFC技术走向工程化应用提供了重要依据。
资源化产出
MFC处理后的降解液表现出显著的农业资源化潜力，其富含总氮（3890 mg/L）、总磷（334 mg/L）和钾（789 mg/L）等主要营养元素，含量远超中国《水溶性肥料》（NY/T 1107-2020）及美国相关水溶肥标准上限，同时钙、镁、硫等中量元素也均符合要求。虽然铜、铁、锰等微量元素含量相对偏低，但通过科学的“稀释与营养补充”策略——先适度稀释降解液以调节N、P、K浓度至合理范围，再针对性添加所缺微量元素——可将其转化为安全、均衡的液体肥料。
讨论
本研究通过合成菌群与电极材料的协同设计，实现了生物质降解与生物产电的高效耦合。虽然放大过程中功率密度有所下降，且降解液的直接农用需经养分平衡调控，但系统展现的良好可扩展性与“能肥联产”潜力，为开发分布式生物质处理系统与循环农业技术奠定了重要基础。后续研究可在电子传递机制解析、系统长期运行稳定性及经济性评估方面深入展开。
新疆大学生命科学与技术学院博士研究生储自勇与硕士研究生王宁为该论文的共同第一作者。该研究得到了天山青年拔尖人才（基础研究人才）项目、新疆维吾尔自治区重点研发计划、第三次新疆综合科学考察项目以及国家自然科学基金等多项资助支持。
作者介绍
岳海涛
教授
岳海涛教授、博导，博士毕业于清华大学生物系，现任新疆大学药学院副书记、副院长、药物研究所副所长。从事合成生物学微生物高版本底盘构建，抗逆功能元件挖掘与设计；产微生物蛋白等方面的研究。新疆自治区天山创新团队“合成生物学与微生物代谢工程团队”负责人。获国家自然基金委-新疆联合基金“本地青年人才培养专项”和“自治区杰出青年科技人才基金”资助。
近五年，主持国家级科研课题5项，省部级科研项目6项，包括科技部重点研发项目课题、新疆第三次科学考察项目课题、国家自然科学基金项目，新疆自治区重点研发项目、自治区“揭榜挂帅”项目等。在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Synthetic and Systems Biotechnology、International Journal of Biological Macromolecules、Microbiology Spectrum等期刊发表论文67篇，获新疆自治区科学技术进步奖一等奖2项（2022、2024年度）；军科委源创杯比赛全国二等奖1项。指导学生获2023、2024、2025年iGEM比赛银奖（新疆首个）。2022、2023、2025年度全国生命科学竞赛全国一等奖。
担任中国生物工程学会青年工作委员会、中国细胞生物学会生物信息学分会、中国微生物学会普通微生物专业委员会、新疆微生物学会等多个学术组织委员或理事；任“Food Macromolecules”《合成生物学》等期刊编委。
相关论文信息
研究成果发表在Cell Press旗下期刊iScience上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。
▌论文标题：
Design of electroactive consortium synthesizing flora enables synergistic biomass-to-bioenergy conversion
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004225027294
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.114468
